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作者：黃鶴 合肥工業大學
應用領域：控制與仿真
挑戰：研發EHB控制器的關鍵點在于通過大量測試實驗掌握執行元件的工作性能，在模擬環境下有效地進行參數仿真、軟件仿真，減少實際路面測試帶來的困難，并開發基于虛擬現實技術的混合仿真平臺，在不同虛擬環境下由駕駛員產生的的實際操縱動作對EHB快速原型的控制器進行功能驗證和逼真的產品性能演示。
應用方案：利用LabVIEW構建輪缸壓力測控系統，在大量測試試驗的基礎上選擇合適的PWM載波頻率和占空比控制EHB系統的高速開關電磁閥，滿足對輪缸壓力控制的要求；通過NI PXI-8464 CAN總線接口卡以及NI PXI-6289數據采集卡完成硬件在環實驗中方向盤、電子油門、制動踏板、輪缸壓力等數據采集和通訊；由NI PXI-7851R FPGA板卡完成控制器的快速原型，滿足嚴格的實時性需要；在Veristand軟件平臺上，聯合在DYNAware軟件中生成的實時車輛模型，大大縮短了混合仿真系統的開發周期和應用程序開發成本。
使用的產品：
LabVIEW Professional Developmet System for Windows 2009,SP1
LabVIEW FPGA Module 2009,SP1
LabVIEW Real-Time Module 2009,SP1
NI Veristand 2009
LabVIEW PID and Fuzzy Logic Toolkit 2009
NI PXI-1042Q 8-Slot 3U機箱
NI PXI-8196 2.16 GHz Intel Core 2 Duo T7400 實時控制器
NI PXI-7851R 可編程FPGA芯片
NI PXI-8464/2 CAN 總線接口卡
NI PXI-6289M高精度多功能M系列數據采集(DAQ)板卡
介紹:
在過去的二十年里，電子設備在汽車工業得到廣泛應用，今天的汽車已經進入了電子技術的時代。隨著人們對汽車制動性能的要求越來越高，線控制動系統（brake-by-wire）應運而生，電子液壓制動EHB可以借鑒ESP系統的成熟經驗，對原有的液壓系統不做大的改變，由電子系統提供柔性控制，液壓系統提供動力，是機電液一體化的高新技術產品，受到了廣泛的關注。作為開放的線控控制系統，配備了傳統ESP系統中沒有的輪缸壓力傳感器，可以實現精確的壓力控制，在高壓蓄能器的作用下滿足四通道獨立控制的要求，因此提升了ABS、ASR、ESP的工作性能。為了加速包括硬件和軟件在內的控制系統的開發設計，一些成熟的仿真測試、快速原型方法和工具是必不可少的。圍繞EHB液壓系統的新型特點，結合先進的車輛動力學仿真軟件DYNAware，在NI公司提供的一系列產品的幫助下通過硬件在環試驗進行深入的控制研究，減小了時間和經費的的開銷，為今后的產品實現提供堅實的研究基礎。
正文：
1、 基于 LabVIEW 的輪缸壓力測試系統
受高速開關閥電磁鐵的響應能力及閥芯運動時間的影響，實際的閥芯響應不能完全跟隨脈寬信號的變化，脈沖調制周期和占空比對其影響很大。因此需要搭建如左圖所示的測試平臺，在不同的載波頻率下得到不同的增減壓力曲線。綜合考慮控制的快速性和有效的占空比調節范圍選擇合適的載波頻率。
數據采集卡的輸出電壓為 5V 電壓，通過驅動電路放大為 12V 的 PWM 信號控制電磁閥。液壓控制單元里的輪缸壓力傳感器信號通過放大電路轉換為 0～5 電壓信號供數據采集卡采集。右圖為載波頻率為 100HZ 下的增壓特性曲線，當占空比小于 15 或大于 89 時由于電磁閥的死區和飽和效應電磁閥無動作。LabVIEW 幫助我們在短時間內搭建這樣的測試系統，確定 PWM 信號合適的載波頻率。
2、 駕駛員混合仿真實驗平臺總體構造
硬件結構如下圖所示，在原博世 ESP8.0 HCU 基礎上增加高壓蓄能器、高壓泵電機等元件，改造成 EHB 液壓控制單元。混合仿真平臺存在兩個回路。一個是信號的回路，PXI-8464 接受轉角傳感器的 CAN 總線信號，PXI-6289 采集踏板行程傳感器、改造的液壓控制單元中四個輪缸壓力傳感器信號和高壓蓄能器中的壓力傳感器信號。上述信號傳送給 PXI-8196 中實時運行的車輛模型。實時模型給出的控制信息通過 DMA 方式傳送給 PXI-7851R，根據自定義的 I/O 接口控制 HCU 單元中的電磁閥、泵電機，完成閉環。另一路是駕駛員的回路，即駕駛員觀察顯示器中車輛的三維動畫通過駕駛員操縱單元中的方向盤和油門、剎車踏板控制車輛。NI 公司的一系列硬件產品為搭建這樣一個混合仿真實驗提供了強有力的保證。
基于 LabVIEW 和 VeriStand 開放式的開發環境的軟件架構如上圖所示。LabVIEW 作為客戶端調用DYNAanimation 車輛三維動畫顯示軟件的 ActiveX 控件實現顯示功能。通過 VeriStand VI 中 Workspace VI 實現Workspace與 LabVIEW 的數據交換。VeriStand 兼容用戶自定義的 FPGA I/O 接口，利用 FPGA 靈活高效的特點在無需改變硬件配置的情況下完成控制器的快速原型。
3、車輛實時模型的建立
3.1、Tesis DYNAware的車輛模型
NI VeriStand 支持第三方軟件 DYNAware 生成的模型文件。DYNAware 是 Tesis 公司開發的一款全面高效的車輛動力學仿真軟件，從電腦上的汽車概念設計，到汽車動力學控制器與硬件結合的硬件在環試驗環境，都可以通過其達到很好的效果，仿真結果可以通過 DYNAanimation 軟件在顯示器上實時顯示。在德國幾乎所有的汽車制造商都在使用 DYNAware 的產品，世界范圍內也非常流行，基于不同的需求為生產廠家和零部件供應商提供了適當的仿真軟件包。通過在圖形化界面中設置參數，簡潔直觀地完成建模。建模對象包括整車尺寸、輪胎、前后軸、懸架、發動機、傳動系、空氣動力學等模型，可以建立多達幾十個自由度的車輛動力學模型，很好地反應車輛在各種工況條件下的動力學特性。
3.2、EHB 控制器模型
EHB 控制器模型首先接受車輛模型傳來的縱向加速度和輪速，估計參考車速。同時接受方向盤轉角，橫擺角速度、側向加速度，利用估計的參考車速估計質心側偏角。汽車穩定行駛時，目標制動力矩與制動踏板位移成比例關系。汽車失穩時，EHB 系統主要的控制對象是汽車的橫擺角速度和質心側偏角。其中橫擺角速度控制模塊采用 PD 控制方法，控制實際橫擺角與理想二自由度橫擺角之間的偏差，輸出為目標制動力矩。質心側偏角控制采用門限值控制方法，根據超出門限的程度施加制動力矩。根據車輛運動狀態協調上述三種模式下的輸出量得到目標制動力矩。調用制動力矩—輪缸壓力模塊，計算出目標輪缸壓力，再轉入開關電磁閥數字 PID 控制模塊，輸出電磁閥的占空比。此外，根據高壓蓄能器設定壓力及 HCU 的工作狀態輸出泵電機的占空比，控制框圖如下圖所示：
EHB 控制器模型
EHB 控制器模型在 Simulink/Stateflow 環境下建模，與上述 DYNAware 中模型實現無縫集成。模型采用固定步長常微分方程求解器，通過 Real-Time Workshop 轉化為 VeriStand 支持的 dll動態鏈接庫文件。
4、配置 VeriStand
在 System Explorer Window 中導入模型文件，對 Primary Control Loop 的實時仿真速度進行調整，設置周期為 100μsec，則 Model Execution Loop 的周期為 1ms，滿足車輛實時仿真的需要。通過分配處理器資源，Veristand 能充分發揮雙核處理器的并行處理性能，提高實時運行速度。橫擺角速度是判斷汽車失穩的重要標志，當理想橫擺角速度與實際橫擺角速度之差超過上下門限值時，通過報警設置以報警音的方式提示駕駛員。
VeriStand 的配置
通過菜單界面完成對 NI-CAN、NI-DAQ 的通道設置，大大減小了程序的開發工作量，提高了開發效率。在Stimulus Profile Editor 中設置 Logging file，可以對橫擺角速度、質心側偏角、輪缸壓力等進行保存。TDMS文件格式讀取快速，作為一種測試測量領域的通用數據文件格式，非常適合車輛狀態參數的保存。
VeriStand 與 DYNAanimation 的連接
上面的循環通過 Workspace VI 啟動 VeriStand，獲取通道數據包括 Simulation Time、Animation Data、Display Data。下方的循環利用 ActiveX 控件將動畫和顯示數據傳送給 DYNAanimation。
通過 ActiveX 方法控制 DYNAanimation
DYNAanimation 將實時仿真結果在虛擬現實的環境中直接現實出來。其中，Animation Data 數組中每十二個元素代表一個運動物體（如車身、輪胎）相對于大地坐標系的位置參數。Display Data 用于界面的數據顯示，比如車速表、轉速表等。
FPGA I/O 示意圖
液壓控制單元在改裝博世 ESP 的基礎上得到，四個輪缸各由兩個高速開關閥控制，一個控制從高壓蓄能器增壓，一個控制向低壓蓄能器減壓，需 8 路 PWM 信號。2 路 PWM 輸出負責對泵電機的控制。VeriStand 中默認的 PXI-7851R 的通道資源擁有 8 路 PWM 輸出，而這里需要 10 路 PWM 輸出。通過自定義 FPGA VI，修改VeriStand 配置文件夾中 7851R 的 fpgaconfig 文件，新增 2 路數字輸入輸出接口為 PWM 輸出，滿足應用的需要。可見基于 VeriStand 的自定義 FPGA I/O 功能使混合仿真平臺具有靈活方便的擴展性能。
5、仿真平臺的功能演示
5.1、駕駛員在環麋鹿測試
在 DYNAanimation 環境下建立三維圖像文件，包括道路、標識線、車身模型、輪胎、路障等，進行駕駛員在環的“麋鹿”測試。在車速為 80km/h 時對比打開穩定性控制與關閉穩定性控制車輛的操縱響應。在實時仿真結束，保存錄像并進行對比。在打開穩定性控制時，駕駛員可以平穩地實現車輛的變線，車輛的運動軌跡符合駕駛員的預期，如左下圖所示。當關閉穩定性控制時，車輛失控跑出跑道。基于 VeriStand 構建的駕駛員在環測試平臺可以實現逼真的產品演示。
5.2、利用激勵進行正弦延遲測試
正弦延遲測試是美國國家高速安全局（NHTSA）規定的 126 號法規，用于檢測車輛的側向穩定性能。不同于麋鹿測試，現實實驗中需要通過轉向機器人完成。VeriStand 的配置實時激勵功能很好地幫助我們完成該項測試。試驗在干燥、平直附著系數為 0.9 的道路上進行，方向盤轉角進行后半周期帶有延遲的正弦輸入，頻率為 0.7HZ，第二次波峰出現后有 400ms 的延遲。方向盤轉角及實驗流程如下圖，其中 A 為 80km/h 下車輛側向加速度達到 0.3g時方向盤的轉角。
通過實時激勵功能里的正弦函數、延時函數編制激勵文件，通過記錄功能保存橫擺角速度的變化曲線。VeriStand 大大降低了編程的復雜性，減少測試系統的開發時間。
6、總結
利用 VeriStand我們在短時間內搭建起一個功能豐富的混合仿真平臺，使我們有更多的精力投入到控制策略的研究上來；VeriStand Engine將實時測試系統的任務和功能在內部進行實施與優化，幫助實時測試系統以更快的速度運行，大大降低了應用程序開發和維護成本；基于 FPGA的自定義 I/O設置提高了系統硬件的可擴展性，通過 FPGA虛擬傳感器可擴展為基于單片機控制器的硬件在環測試平臺；總之，NI公司一系列軟件和硬件產品幫助我們靈活、高效、直觀地實現 EHB混合仿真測試平臺，為產品的研制奠定了堅實的基礎。
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